Des chercheurs effectuent des tests de simulation sur leur CubeSat imprimé en 3D avant la mission LEO

Des chercheurs effectuent des tests de simulation sur leur CubeSat imprimé en 3D avant la mission LEO

Deux chercheurs de l’Université de Shantou en Chine ont exploré la conception et la fabrication d’un CubeSat avec impression 3D, comme nous l’avons déjà vu. Les satellites CubeSats, qui sont essentiellement des satellites miniaturisés, offrent de nombreux avantages pour l'exploration spatiale, tels qu'un faible coût, un cycle de recherche court et une construction plus légère, mais les méthodes de fabrication conventionnelles les neutralisent souvent. L'utilisation de l'impression 3D pour créer des cubes peut aider à obtenir des détails précis.

[Image: ESA]

Les chercheurs, Zhiyong Chen et Nickolay Zosimovych, ont récemment publié un article sur leur travail intitulé «Évaluation de la capacité de la mission d'impression 3D de Cubesats».

«Avec le développement réussi de technologies intégrées, de nombreux sous-systèmes d’engins spatiaux ont été continuellement miniaturisés et CubeSats sont progressivement devenus les principaux exécutants de missions d’exploration des sciences spatiales», ont-ils écrit.

Le document de recherche principal est la mission CELO, une orbite terrestre basse ou une orbite terrestre basse, qui devrait être accélérée à un maximum de 5 g lors du lancement.

«… La plage de température de fonctionnement interne du CubeSat va de 0 à 40 ° C et la température extérieure de -80 à 100 ° C», ont expliqué les chercheurs.

Au cours du processus de conception, le duo a pris en compte les facteurs environnementaux, la charge d’impact reçue au cours du processus de lancement et l’environnement environnant une fois que le CubeSat a atteint l’orbite. Une fois les paramètres de conception spécifiques déterminés, le logiciel ANSYS a été utilisé pour simuler, analyser et vérifier la faisabilité de la conception.

Le mini-satellite, qui a évidemment la forme d’un cube, a été utilisé avec du PLA. Chaque cellule de cube, appelée unité, pèse environ 1 kg et ses côtés mesurent 10 cm de long.

«La structure de la structure pour un seul CubeSat offre suffisamment d’espace de travail interne pour le matériel nécessaire à l’exécution de CubeSat. Bien qu'il existe différentes conceptions de structure CubeSat, plusieurs lignes directrices de conception cohérentes peuvent être trouvées en comparant ces CubeSats », ont écrit les chercheurs à propos de la structure de leur CubeSat.

Ces directives incluent:

cube de 100 mm de côté, colonnes carrées disposées à quatre coins parallèles, généralement en aluminium, pour un faible coût, la légèreté et la facilité d'usinage

Le CubeSat doit être suffisamment grand pour contenir son sous-système d’alimentation (batteries secondaires et panneaux solaires), en plus du sous-système thermique d’une importance vitale, un système de communication permettant de relier les signaux aux stations au sol, ainsi que les sous-systèmes ADCS et CDH. Il comprend également des antennes embarquées, des radios, des cartes de circuits de données, un système de stabilité à trois axes et un logiciel de navigation autonome.

«L’adoption de cette technologie modifie le concept de structure primaire et secondaire dans le processus de conception traditionnel, car toute la structure peut être produite en même temps, ce qui non seulement réduit le nombre de pièces, réduit le besoin de vis et d’adhérence, mais améliore également la stabilité de la structure globale », expliquait le couple à propos de l’utilisation de l’impression 3D pour construire leur CubeSat.

L’aperçu de la mission de cette CubeSat imprimée en 3D explique que l’appareil doit effectuer des tests de performance de la charge utile de la caméra pour une évaluation de la fiabilité et tester l’efficacité de toute structure imprimée en 3D «dans un environnement orbital».

Le diagramme de contrainte de Von Mises de la structure CubeSat.

Afin de s'assurer qu'il est prêt à fonctionner en LEO, les structures de CubeSat ont été analysées à l'aide du logiciel d'analyse par éléments finis d'ANSYS (FEA), et les chercheurs ont également procédé à une analyse aléatoire des vibrations, de manière à pouvoir être certain de sa résistance. la charge d'impact de lancement.

“La structure de CubeSat est validée par l'expérience numérique. Au cours du processus de lancement, CubeSat sera fixé dans le P-Pod et les contraintes structurelles correspondantes devront être ajoutées au modèle numérique. De plus, l'impact de l'accélération maximale pendant le processus de lancement devrait également être pris en compte. Le module Structural statique d'ANSYS est utilisé pour le calcul et l'analyse. Les résultats montrent que la contrainte maximale de la structure CubeSat est de 8,06 MPa, inférieure à la limite d'élasticité du PLA de 40 MPa », ont expliqué les chercheurs.

Fonctionnant en LEO, le CubeSat imprimé en 3D subira un changement de température de 100 ° C. La structure doit pouvoir résister à cette résistance. Les chercheurs ont également procédé à un test de choc thermique montrant une contrainte thermique acceptable.

Le diagramme de déformation thermique de la structure CubeSat.

L’équipe a également mené des expériences de simulation de vibrations aléatoires afin de pouvoir adapter la structure du CubeSat imprimé en 3D aux conditions d’émission. Ils ont simulé les caractéristiques de vibration de lancement typiques en utilisant la qualification et l'acceptation GEA de la NASA comme référence.

“Le contenu spécifique de l'expérience comprend“ Réponse harmonique ”et“ Vibration aléatoire ”. Deux réponses harmoniques identiques ont été réalisées avant et après le test de vibration aléatoire pour évaluer le degré de dégradation structurelle pouvant résulter de la charge de lancement », ont expliqué les chercheurs.

"Cette expérience nous aide à évaluer la fréquence naturelle de la structure et la valeur de crête indique que le point testé (panneau inférieur) a atteint la fréquence de résonance."

Comparaison du test de vibration pré / post aléatoire entre les courbes de réponse harmonique.

Comme le montre la figure ci-dessus, la tendance et les points maximaux des deux courbes sont proches, ce qui montre qu'il n'y a pas eu de dégradation structurelle après le test de vibration et que la structure elle-même est conforme aux spécifications de rigidité de lancement.

«En tant qu'acteur principal des missions d'exploration spatiale actuelles, la conception de CubeSat prend en compte l'orbite, la charge utile, le bilan thermique, la structure du sous-système et les exigences de la mission. Dans cette recherche, une conception CubeSat pour l'exécution de tâches LEO a été proposée, comprenant le bilan de puissance, la distribution de masse et les tests au sol, et la structure de fabrication CubeSat a été combinée à la technologie d'impression 3D », ont conclu les chercheurs.

«Les résultats montrent que le CubeSat peut supporter les charges de lancement sans dommage structurel et peut répondre aux spécifications de rigidité de lancement.»

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